BIOMOLECOLE Molecole essenziali per la vita prodotte dal metabolismo (o interagenti con esso) degli organismi viventi Piccole dimensioni Grandi Dimensioni (P.M. fino a 1000-2000) (Macromolecole) Metaboliti primari Oligonucleotidi, DNA, RNA Metaboliti secondari Polipeptidi, Proteine Oligosaccaridi Metaboliti primari Metaboliti Secondari Macromolecole: DNA e RNA B-DNA Macromolecole: Polipeptidi e Proteine Polipeptide Emoglobina Macromolecole: Oligosaccaridi Perché si ricercano sempre nuove e biomolecole? Essenzialmente per scopi: 1. Farmacologico-Terapeutico 2. Analitico-Diagnostico 3. Composti modello (per la comprensione dei meccanismi dei processi biologici o delle strutture di altre biomolecole) L’individuazione di Biomolecole “utili” può avvenire per: 1. “Random Screen” di prodotti naturali 2. “Screen” di miscele sintetiche di molecole (da sintesi combinatoriale 3. Progettazione razionale 4. Caso fortuito Random Screening Questa tecnica consiste semplicemente nel controllare con test opportuni l'attività' biologica di tutti i prodotti che capitano tra le mani, indipendentemente da ogni considerazione razionale. I prodotti naturali, ad esempio, si si sono sempre rivelati una fonte importantissima di molecole dotate di attività biologica. Dall'analisi dei risultati ottenuti dallo screening di circa 400.000 prodotti chimici si può ricavare che la probabilita' di trovare un composto dotato di interessanti proprietà farmacologiche (lead) e' circa di 1:10.000. Solo 1 lead su 4 porta alla successiva produzione di un prodotto commercializzabile. TASSOLO (Lead compound) Il tasso e' una pianta molto diffusa anche nei nostri giardini: non perde le foglie, produce delle belle bacche rosse. L'arco di Robin Hood era fatto di legno di tasso, come tutti gli archi di qualità nell'Inghilterra medioevale. Nel 1962 l'estratto da un un campione di corteccia di Taxus brevifolia rivelò proprietà citotossiche. Fu identificato il principio attivo (il taxolo). Metodi razionali: i bersagli per nuovi farmaci. Oggi non siamo costretti a sperare solo nella fortuna: conosciamo metodi che permettono il disegno razionale di molecole ad attività biologica. Prendono origine da conoscenze fisiologiche, fisiopatologiche, biochimiche, farmacologiche, chimiche e quindi hanno un ben preciso punto di partenza dal quale muoversi per progettare molecole che si ritengono in grado di risolvere il problema terapeutico o di dare ulteriori informazioni sul funzionamento di un sistema biologico, nel nostro caso un recettore. Tutti i processi metabolici che avvengono in un organismo vivente sono controllati dall'attività di enzimi. Se in qualche modo blocchiamo l'attività di un enzima, otteniamo due risultati: • aumento della concentrazione del substrato naturale dell'enzima e • diminuzione della concentrazione del prodotto della biotrasformazione. Enzimi ed Inibitori I processi biologici possono quindi essere controllati o dalla modulazione dell'attività' di un enzima o dall'interazione tra una opportuna molecola ed il suo recettore Un inibitore enzimatico impedisce all'enzima bersaglio di catalizzare la sua reazione specifica. Un esempio tipico: la penicillina ed i suoi derivati agiscono in questo modo. I batteri sono dotati di una parete cellulare rigida formata da catene di un polimero lineare (costituito da unità alternate di N-acetilglucosammina e di acido N-acetilmuramico unite da legami glicosidici) legate tra di loro da brevi catene peptidiche. La penicillina inibisce in maniera irreversibile L’enzima che catalizza questo cross-linking; la parete cellulare rigida non può più formarsi, e la pressione interna fa letteralmente "scoppiare" i batteri. Le cellule umane non sono dotate di parete cellulare: la peptidoglicano transpeptidasi non e' presente nel nostro organismo e la penicillina non interferisce con altri processi metabolici. Farmaci come Agonisti ed Antagonisti Un processo biologico coordinato da un sistema messaggero chimico - recettore può invece essere modulato con l'impiego di agonisti o antagonisti. •Un agonista possiede la struttura adatta ad interagire con un recettore mimando spesso con più efficacia l'azione del composto che e' in natura coinvolto nel processo biologico; •gli antagonisti si legano al recettore provocando una catena di eventi che non conducono all'azione biologica normalmente innescata dal recettore stesso dopo la complessazione con la molecola segnale. Esempio…. Il progesterone innesca la sua azione biologica legandosi ad una specifica proteina recettoriale. Il complesso ormone:recettore che si forma migra dal citoplasma al nucleo cellulare dove interagisce con il DNA modulando l'espressione di alcuni geni medrossiprogesterone acetato noretindrone Il recettore puo' legare anche altre molecole: ad esempio, medrossiprogesterone acetato e noretindrone. Il complesso e' in questi casi addirittura piu' stabile di quello che si forma con l'ormone naturale ed esplica qualitativamente la stessa azione biologica. Medrossiprogesterone acetato e noretindrone sono agonisti del progesterone RU-86 Anche l'anti-ormone RU-86 si lega al recettore per il progesterone. La sua struttura spaziale non e' però quella corretta; il complesso non e' in grado di attivare i processi che favoriscono l'impianto nell'utero dell'uovo fecondato. RU486 e' un antagonista del progesterone; la somministrazione provoca l'interruzione della gravidanza sua La scoperta casuale: PENICILLINA Molte scoperte sono state fatte "per caso", ma il caso non basta. Si deve essere in grado di riconoscere il diamante trovato quando non lo si cerca. Nel luglio del 1928 Alexander Fleming parti' per le vacanze lasciando sul banco di lavoro una coltura di Staphylococcus aureus. Tornando a fine agosto, trovò la cultura inquinata da una muffa; un rapido controllo dimostrò che i batteri erano “lisati” Cosa accadde… Fleming riconobbe immediatamente l'importanza della sua osservazione ma non fu più in grado di riprodurre il fenomeno originale, probabilmente avvenuto a causa di particolari condizioni ambientali (fu una estate molto fredda, i batteri si sviluppavano lentamente, il laboratorio al piano di sotto faceva ricerche sulle muffe). Solo nel 1939 Ernst Chain, Howard Florey and Edward Abraham a Oxford furono in grado di produrre penicillina in una forma utilizzabile per la sperimentazione clinica. Nella Progettazione razionale rientrano sempre più tutte le tecniche di indagine strutturale: 1. conoscere la conformazione del sito enzimatico-proteico responsabile delle interazioni che si vogliono studiarerealizzare 2. Su queste informazioni progettare la conformazione adatta alla molecola farmaco Questa attività di ricerca viene definita “DRUG DESIGN”